通過(guò)串接土體位移計(jì)監(jiān)測(cè)哈達(dá)山均質(zhì)土壩的沉降

李克綿，馬洪亮，彭立斌，高垠

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061）

0 引言

為了掌握土石壩在施工和運(yùn)行期間的壩體內(nèi)固結(jié)和沉降變形情況，結(jié)合其他觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析，以判定其穩(wěn)定性和有無(wú)變形開(kāi)裂，作為施工控制和工程安全運(yùn)用的依據(jù)[1]，土石壩的內(nèi)部沉降觀測(cè)是非常重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一。土石壩內(nèi)部分層沉降常用的監(jiān)測(cè)方法主要有橫梁管式沉降儀、深式標(biāo)點(diǎn)、電磁式沉降儀、水管式沉降儀、振弦式沉降儀等[1]。目前在土石壩中較為普遍應(yīng)用的是電磁式沉降儀、水管式沉降儀和振弦式沉降儀，這三種方法原理簡(jiǎn)單。雖然電磁式沉降儀和水管式沉降儀目前也可以通過(guò)各種途徑實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)化觀測(cè)，但仍存在以下幾方面的問(wèn)題：

（1）電磁式沉降儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制過(guò)程繁瑣，國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例不多見(jiàn)，更多的是采用人工觀測(cè)。

（2）水管式沉降儀和振弦式沉降儀更多地應(yīng)用在面板壩與心墻壩，這兩種類型的儀器需要通過(guò)通液管將埋設(shè)在壩體內(nèi)部沉降測(cè)點(diǎn)處的測(cè)頭與壩下游面觀測(cè)房?jī)?nèi)的儲(chǔ)液罐相連通，通氣管、連通水管等管路易出現(xiàn)凍結(jié)、摻氣、堵塞等問(wèn)題，同時(shí)暴露在外部的通液管易受液體、管路、容器等的熱脹冷縮影響，從而很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)精度。

（3）在使用水管式沉降儀和振弦式沉降儀時(shí)，為獲得壩體的絕對(duì)沉降值，必須定期通過(guò)大地測(cè)量確定觀測(cè)房的變形量來(lái)修正沉降儀的測(cè)值。這不僅使觀測(cè)過(guò)程復(fù)雜化，而且在納入自動(dòng)化觀測(cè)后也需要定期輸入人工修正值，給沉降監(jiān)測(cè)的無(wú)人職守造成了困難。

（4）特別對(duì)于均質(zhì)土壩來(lái)說(shuō)，由于各種管路較多且水平埋設(shè)，管路周邊的防滲尤為重要，一旦做不好，極易破壞壩體的防滲。

為解決上述問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)哈達(dá)山水利樞紐工程均質(zhì)土壩沉降自動(dòng)化觀測(cè)，在總結(jié)分析土體位移計(jì)監(jiān)測(cè)壩體水平位移的基礎(chǔ)上，采用了豎向串聯(lián)安裝振弦式土體位移計(jì)的方法，與沉降磁環(huán)共同監(jiān)測(cè)壩基和壩體的分層沉降，不僅實(shí)現(xiàn)了壩體沉降的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，同時(shí)與電磁式沉降儀人工觀測(cè)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了相互校核。

哈達(dá)山水利樞紐工程位于第二松花江干流下游，壩址在吉林省松原市東南約20 km處，下距二松與嫩江匯合口約60 km。土壩為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，為1級(jí)建筑物，壩軸線全長(zhǎng)1726.4 m，壩頂高程為146.00 m，最大壩高13.00 m，壩頂寬10.00 m。壩基為均勻中砂，壩基砂層厚度12.00～22.00 m，壩基垂直防滲采用塑性混凝土防滲墻。土壩壩基為均勻中砂，根據(jù)壩基砂土體地震液化判別，土壩基礎(chǔ)砂層為液化砂層，在8度地震下將產(chǎn)生液化。

介紹了利用串接土體位移計(jì)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的工作原理，分析了測(cè)量的不確定度，通過(guò)對(duì)兩種監(jiān)測(cè)方法的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，表明了串接土體位移計(jì)進(jìn)行均質(zhì)土壩的沉降監(jiān)測(cè)是可行的，并在此基礎(chǔ)上提出了在今后使用過(guò)程中的改進(jìn)建議。

1 工作原理

這種沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由振弦式位移傳感器、位移傳遞桿、保護(hù)管、伸縮節(jié)、沉降盤及連接件等部件組成。整個(gè)系統(tǒng)豎直安裝，其基本原理就是采用分段測(cè)量、組段累加計(jì)算的方法對(duì)整個(gè)高程的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

如在整個(gè)高程中安裝了n支傳感器，由下向上分別為S1、S2、S3……Sn-1、Sn，則S1作為基準(zhǔn)傳感器并用來(lái)監(jiān)測(cè)第一個(gè)沉降盤相對(duì)于基準(zhǔn)錨頭垂直距離H1的變化量ΔH1，S2用來(lái)監(jiān)測(cè)第二個(gè)沉降盤相對(duì)于第一個(gè)沉降盤垂直距離H2的變化量ΔH2。。。。。。第n個(gè)傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)最上部?jī)蓚€(gè)沉降盤之間的變化量ΔHn，每個(gè)沉降盤在測(cè)量分析中可以簡(jiǎn)化成一個(gè)點(diǎn)，假定自下向上第一個(gè)沉降盤為K1點(diǎn)，第二個(gè)為K2點(diǎn)，第三個(gè)為K3點(diǎn)，……第n個(gè)為Kn點(diǎn)。根據(jù)矢量相加原理，各個(gè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)錨頭的沉降可以按下述方法計(jì)算：

圖1 沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Structure of the settlement monitoring system

每一位移傳感器和沉降盤組成一組區(qū)域沉降測(cè)量系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)兩個(gè)沉降盤之間的沉降變形。最底部的位移傳感器作為整個(gè)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)傳感器。該傳感器固定在錨桿上，通過(guò)鉆孔灌漿固定在大壩基巖上。隨著壩體的填筑，依次將各個(gè)高程的傳感器和沉降盤安裝埋設(shè)在設(shè)計(jì)位置，其沉降變形量通過(guò)累加計(jì)算與基準(zhǔn)傳感器比較并計(jì)算出各點(diǎn)的垂直位移。所有傳感器的電纜引到附近觀測(cè)房，接入自動(dòng)化采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)測(cè)量不確定度

由于整個(gè)系統(tǒng)由若干相互獨(dú)立的位移傳感器構(gòu)成，為使測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的最大測(cè)量不確定度（即測(cè)量誤差）進(jìn)行分析。本工程中使用的沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最多由5個(gè)測(cè)點(diǎn)組成，每支位移傳感器的測(cè)量精度是0.1%FS，選擇的是量程為100 m的傳感器，每支傳感器的測(cè)量不確定度為：

根據(jù)測(cè)量不確定度的合成原理，可知位于最上部的5號(hào)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量不確定度最大。該測(cè)點(diǎn)的不確定度可由下式確定：

這就是系統(tǒng)最大的測(cè)量不確定度。其他測(cè)點(diǎn)的測(cè)量不確定度計(jì)算方法類似，數(shù)值小于0.22 mm。系統(tǒng)最大的測(cè)量不確定度隨測(cè)點(diǎn)數(shù)量的增加而增大。由于位移傳遞桿兩端采用萬(wàn)向鉸連接以及傳遞桿埋設(shè)在壩體的內(nèi)部，溫度變化不大，上述計(jì)算可以忽略位移傳遞桿撓曲變形以及受溫度影響產(chǎn)生的伸縮變形[2]。即使計(jì)入這些影響，其系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度也在毫米級(jí)范圍內(nèi)，所以采用這種沉降監(jiān)測(cè)方式能夠滿足本工程沉降監(jiān)測(cè)的要求。

3 儀器布置

選定土壩樁號(hào)0+521 m、0+864 m、1+222 m、1+465 m、1+822 m剖面為監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面沿上下游方向布置4條沉降磁環(huán)觀測(cè)管線，位于壩軸線1條、壩軸線上游1條、壩軸線下游2條，間距10 m。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面壩軸線處同時(shí)布置1條土體位移計(jì)測(cè)線，樁號(hào)1+222 m監(jiān)測(cè)斷面為主觀測(cè)斷面，每條土體位移計(jì)測(cè)線旁都布置了沉降磁環(huán)觀測(cè)管線，兩條測(cè)線相距1 m。兩種觀測(cè)儀器在每一層位于同一高程。整個(gè)工程共布置了土體位移計(jì)測(cè)線8條，合計(jì)37套土體位移計(jì)。布置見(jiàn)圖2。

4 安裝埋設(shè)方法

串接土體位移計(jì)與沉降磁環(huán)的埋設(shè)方法基本相同，均采用“鉆孔法”與“坑式開(kāi)挖法”相結(jié)合的方法。

壩基覆蓋層采用“鉆孔法”進(jìn)行安裝，鉆孔深入基巖1 m，向孔內(nèi)安裝傳遞桿時(shí)下部錨頭安裝在鉆孔底部，回填砂漿與基巖固結(jié)一體，逐層回填夯實(shí)，接近建基面時(shí)安裝傳感器部分及沉降盤，使沉降盤與沉降磁環(huán)位于同一高程，并在沉降盤上部連接下一套儀器錨頭、傳遞桿和保護(hù)管，并做好保護(hù)措施，并做好向上串接儀器的準(zhǔn)備。

壩體內(nèi)土體位移計(jì)采用“坑式開(kāi)挖法”進(jìn)行安裝，當(dāng)壩體填筑高程超過(guò)儀器安裝高程0.3～0.5 m后，挖除保護(hù)管上部土料，套上伸縮套，在儀器限位鎖定情況下將傳感器部分接入傳遞桿并擰緊，拉伸傳感器到滿量程（注意：此時(shí)已解除限位鎖定，不能再轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器），回填土料，分層夯實(shí)，達(dá)到上部錨頭后連接沉降盤和下一套儀器的錨頭、傳遞桿和保護(hù)管，并做好保護(hù)措施。隨著壩體填筑高度逐步升高，土體位移計(jì)也逐段向上串接，直至全部完成。

5 實(shí)測(cè)成果

僅以埋設(shè)安裝較早、沉降變形歷時(shí)較長(zhǎng)的樁號(hào)0+521 m監(jiān)測(cè)斷面的沉降數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。該斷面位于均質(zhì)土壩與溢流壩壩段連接段，土壩建基高程為120 m，基礎(chǔ)為夾粉砂巖薄層的泥巖，135 m以上為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，135 m以下土壩壩基垂直防滲采用塑性混凝土墻防滲，塑性混凝土防滲墻兩側(cè)為粉質(zhì)粘土，其它開(kāi)挖部位回填中粗砂，壩基砂層采用振沖加壓重方案防止地震液化。

圖2 典型斷面沉降監(jiān)測(cè)布置圖Fig.2 Distribution of the settlement monitoring system on the typical section

圖3 土體位移計(jì)與沉降磁環(huán)實(shí)測(cè)沉降量對(duì)比結(jié)果Fig.3 Comparison of settlement data measured by soil displacement meter and magnetic core

該監(jiān)測(cè)斷面僅在壩軸線部位設(shè)置了一條利用串接土體位移計(jì)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的測(cè)線，共串接了5支土體位移計(jì)。自2009年10月開(kāi)始填筑至2012年4月完成壩體填筑，這5支土體位移計(jì)與沉降磁環(huán)觀測(cè)歷時(shí)2年半，累計(jì)沉降量自135 m高程至143 m高程逐漸增大，截至2012年4月143.00 m高程處土體位移計(jì)測(cè)得最大累計(jì)沉降量為313 mm，而沉降磁環(huán)測(cè)得最大累計(jì)沉降量為319 mm。

從壩體累計(jì)沉降過(guò)程線與壩體填筑過(guò)程線可知，壩體沉降與填筑過(guò)程顯著相關(guān)，壩體填筑施工開(kāi)始后沉降速率明顯增加，當(dāng)填筑施工停止后，壩體沉降速率開(kāi)始減小。自2011年11月起，壩體累計(jì)沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定，哈達(dá)山水利樞紐工程均質(zhì)土壩壩體沉降符合變形的一般規(guī)律，沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠，表明這種觀測(cè)方法是有效的。

6 結(jié)語(yǔ)

哈達(dá)山水利樞紐工程均質(zhì)土壩沉降監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用效果表明，由串接土體位移計(jì)組成的沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安裝方法簡(jiǎn)單、土建工程量小、測(cè)量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，為均質(zhì)土壩、黏土心墻壩內(nèi)部分層沉降監(jiān)測(cè)提供了一種便捷高效的方法。建議在今后的使用過(guò)程中考慮采用并接的布置方式，避免因測(cè)線上某支傳感器失效而影響整條測(cè)線沉降量的累加計(jì)算。若位移傳遞桿過(guò)長(zhǎng)且壩體內(nèi)溫度變化較大，宜對(duì)其長(zhǎng)度變化量進(jìn)行撓曲變形修正和溫度修正?！?/p>

[1]張啟岳.土石壩觀測(cè)技術(shù)[M].北京:水利電力出版社，1993.

[2]霍家平,陳生水,方緒順，陳與非.TSD型桿式水平位移計(jì)研制及應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005，24（1）：65-68.